阅读说明：本技术 一种基于气象无人机的气象探测系统 (Meteorological detection system based on meteorological unmanned aerial vehicle ) 是由 张聪 胡鹏飞 张家淦 于 2019-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于气象无人机的气象探测系统,属于气象探测领域,该系统包括无人机本体、地面支持系统、机载信号传输系统、机载动力系统、机载飞行控制系统及机载大气测量系统。本发明优异的气动外形,让它既可用于民用特殊区域长期气象监测,龙卷风等危险环境近距探测,亦可用于军事气象领域侦查,避免了有人驾驶高风险作业。本发明穿越台风所到之处测得的风场,温度,湿度,气压等探测数据,对于台风内部中尺度结构特征的认识,台风的业务定位和定强及路径和强度预报能力的提高发挥重要作用。本发明具有机动灵活,经济实用,大区域,长时间,连续气象探测能力,在航天器发射与返回,重要武器试验,战场气象测量应用中具有独特的作用和优势。(The invention discloses a meteorological detection system based on a meteorological unmanned aerial vehicle, and belongs to the field of meteorological detection. The invention has excellent pneumatic appearance, can be used for long-term meteorological monitoring in civil special areas and short-range detection of dangerous environments such as tornadoes and the like, can also be used for detection in the field of military meteorological, and avoids high-risk operation of people driving. The invention has important functions of recognizing the mesoscale structural features in the typhoon, positioning and strengthening the typhoon business and improving the forecasting capability of the path and the strength by detecting the wind field, the temperature, the humidity, the air pressure and the like which are measured by crossing the positions where the typhoons arrive. The invention has the advantages of flexibility, economy, practicability, large area, long-time and continuous meteorological detection capability, and has unique function and advantage in spacecraft launching and returning, important weapon tests and battlefield meteorological measurement application.)

一种基于气象无人机的气象探测系统

技术领域

本发明属于气象探测领域，涉及到航空领域，更具体地，涉及一种基于气象无人机的气象探测系统。

背景技术

当下台风强度的预报进展缓慢，究其原因，台风内部结构特征无法通过气象卫星获得。

高空风的探测对了解大气层的运动状况具有十分重要的意义，同时也是研究全球气候变化，准确预报天气的重要手段，现有的高空风测量方法主要包括：气球法测风、风廓线雷达测风和有人飞机探测，其中，气球法用于研究空中风场变化情况，获取从地面到高空的所有风场信息，探测精度和探测高度最高，但测量成本较高且探测区域范围小；风廓线雷达用于研究某一区域特定高度的风场情况，探测精度较高，但易受天气情况的影响；有人飞机探测台风风险和成本较高，也无法长时间连续探测，大多数国家不选择有人飞机探测，只能依赖气象卫星。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于气象无人机的气象探测系统，由此解决现有高空风测量方法存在的测量成本及风险较高等的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于气象无人机的气象探测系统，包括：无人机本体、地面支持系统、机载信号传输系统、机载动力系统、机载飞行控制系统及机载大气测量系统；

其中，所述机载信号传输系统、所述机载动力系统、所述机载飞行控制系统及所述机载大气测量系统设置在所述无人机本体上；所述机载信号传输系统分别与所述机载动力系统、所述机载飞行控制系统及所述机载大气测量系统连接；所述机载信号传输系统与所述地面支持系统通过无线通信方式连接；

所述机载动力系统，用于为无人机提供动力；

所述机载飞行控制系统，用于控制无人机姿态，以保证无人机按预设航线飞行；

所述机载大气测量系统，用于测量气象参数，以用于台风强度和路径预报；

所述机载信号传输系统，用于无人机和所述地面支持系统之间的通信，及时将无人机得到的所述气象参数回传到所述地面支持系统，实时接收所述地面支持系统的控制指令；

所述地面支持系统，用于发送所述控制指令，接收所述气象参数进行台风强度和路径预报。

优选地，所述无人机本体包括：机身、机翼、尾翼、碳管、舵机整流罩及桨叶；

其中，所述机翼设置在所述机身的顶部；所述尾翼与一对所述舵机整流罩通过所述碳管连接，所述舵机整流罩与所述机翼的下表面连接；所述桨叶设置在所述机身后端。

优选地，所述地面支持系统包括：无线电信号收发装置、信号调理器和地面站；

其中，所述信号调理器分别与所述无线电信号收发装置及所述地面站连接；

所述信号调理器，包含ADC模拟转数字模块和DAC数字转模拟模块，所述ADC模拟转数字模块用于将模拟量形式的控制指令转换为数字信号供所述无线电信号收发装置发射；

所述DAC数字转模拟模块用于将从所述无线电信号收发装置接收的数字量形式的气象参数转化为模拟量传输给所述地面站，以使地面研究人员根据所述气象参数进行台风强度和路径预报；

所述无线电信号收发装置，用于收发无线电信号；

所述地面站，用于接收无人机发送的气象参数，及监测控制无人机飞行。

优选地，所述机载动力系统包括：引擎、内部油箱、发电机及锂电池；

其中，所述引擎设置在所述机身内腔后部；所述内部油箱设置在所述引擎之前，位于所述机身内腔中部；所述发电机分别与所述锂电池及所述引擎连接。

优选地，所述机载信号传输系统包括：GPRS数据传输模块、图像处理模块、图像传输模块、相机和OSD模块；

其中，所述相机设置在所述机身前端，且与所述OSD模块连接；所述OSD模块与所述图像处理模块连接；所述图像处理模块与所述图像传输模块连接，所述图像传输模块与所述地面站连接，所述GPRS数据传输模块与所述地面站通过无线通信方式连接；

所述相机，用于获取图像；所述OSD模块，用于显示所述相机拍摄的图像数据；所述图像处理模块，用于处理相机拍到的图像；所述图像传输模块，用于向所述地面站传输经过所述图像处理模块处理后的图像数据；所述GPRS数据传输模块用于向地面传输测量得到的大气参数。

优选地，所述机载大气测量系统包括：温湿压混合测量模块、风场测量模块、信号调理器、单片机及串口扩展电路；

其中，所述温湿压混合测量模块在所述机翼下左右各布置一套，所述机身内舱前底部一套；所述风场测量模块位于所述机翼最前端，所述温湿压混合测量模块及所述风场测量模块通过所述信号调理器与所述单片机连接，所述单片机通过所述串口扩展电路与所述GPRS数据传输模块连接；

所述温湿压混合测量模块，用于测量台风内部温度、湿度及气压；所述风场测量模块，用于测量风速；所述信号调理器，用于将所述温湿压混合测量模块及所述风场测量模块测量的数据由模拟信号转换为数字信号；所述单片机，用于控制信号发送。

优选地，所述机载飞行控制系统包括：接收机、飞控板及功能模块；

其中，所述接收机与所述飞控板连接；所述飞控板与所述GPRS数据传输模块连接；所述功能模块与所述飞控板连接；所述接收机与所述无线电信号发射装置通过无线通信方式连接；

所述接收机，用于接收所述无线电信号发射装置发射的控制指令；所述飞控板，用于运行预设飞控程序或者根据所述接收机接收到的控制指令控制无人机姿态航线；所述功能模块，用于获得无人机的高度、航向及坐标，以由所述飞控板用于飞行控制。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明通过无人机本体、地面支持系统、机载信号传输系统、机载动力系统、机载飞行控制系统及机载大气测量系统的配合，能够在台风等恶劣天气完成温湿压以及风场数据的测量，相比于有人驾驶，无人机具有成本低，昼夜可用等许多独特的巨大优势，避免了有人驾驶高风险作业。对于完善我国台风探测体系，帮助提高我国气象研究人员对于台风内部中尺度结构特征的认识，台风的业务定位和定强及路径和强度预报能力有显著的积极意义，在航天器发射与返回，重要武器试验，战场气象测量应用中具有独特的作用和优势。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于气象无人机的气象探测系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于气象无人机的气象探测系统的无人机的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种基于气象无人机的气象探测系统的地面支持系统的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种基于气象无人机的气象探测系统的机载动力系统的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种基于气象无人机的气象探测系统的信号传输系统的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种基于气象无人机的气象探测系统的机载大气测量系统的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种基于气象无人机的气象探测系统的飞行控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种基于气象无人机的气象探测系统，能够探测大气参数，尤其是在台风等恶劣天气时，对气象卫星形成有力补充。

如图1所示是本发明实施例提供的一种基于气象无人机的气象探测系统的结构示意图，包括：无人机本体1、地面支持系统2、机载信号传输系统3、机载动力系统4、机载飞行控制系统5及机载大气测量系统6；

其中，机载信号传输系统3、机载动力系统4、机载飞行控制系统5及机载大气测量系统6设置在无人机本体1上；机载信号传输系统3分别与机载动力系统4、机载飞行控制系统5及机载大气测量系统6连接；机载信号传输系统3与地面支持系统2通过无线通信方式连接；

机载信号传输系统3，用于无人机和地面站通信，及时回传探测数据，实时接收地面控制指令；

机载动力系统4，用于为无人机提供动力；

机载飞行控制系统5，用于控制无人机姿态，保证按预定航线飞行；

机载大气测量系统6，用于测量气象参数，用于台风强度和路径预报；

地面支持系统2，用于发送控制指令，监测无人机工作状态，接收气象参数进行台风强度和路径预报。

如图2所示是本发明实施例提供的一种基于气象无人机的气象探测系统的无人机本体的结构示意图，该无人机本体1包括：机身101、4415翼型机翼102、0012翼型反装V型尾翼103、碳管104、舵机整流罩105及桨叶106；

其中，机翼102设置在机身101的顶部；反装V型尾翼103与一对舵机整流罩105通过碳管104连接，舵机整流罩105与机翼102下表面连接；桨叶106设置在机身101后端。

如图3所示是本发明实施例提供的一种基于气象无人机的气象探测系统的地面支持系统的结构示意图，该地面支持系统2包括：无线电信号收发装置201、信号调理器202和地面站203；

其中，信号调理器202分别与无线电信号收发装置201及地面站203连接；

信号调理器202，包含ADC模拟转数字模块和DAC数字转模拟模块，ADC模拟转数字模块用于将模拟量形式的控制指令转换为数字信号供无线电信号收发装置201发射；

DAC数字转模拟模块用于将从无线电信号收发装置201接收的数字量形式的气象参数转化为模拟量传输给地面站203，以使地面研究人员根据气象参数进行台风强度和路径预报；

无线电信号收发装置201，用于收发无线电信号；

地面站203，用于接收无人机发送的气象参数，及监测控制无人机飞行。

如图4所示是本发明实施例提供的一种基于气象无人机的气象探测系统的机载动力系统的结构示意图，该机载动力系统4包括：引擎401、内部油箱403、发电机407及锂电池408；

其中，引擎401设置在机身101内腔后部；内部油箱403设置在引擎之前，位于机身内腔中部；发电机407分别与锂电池408及引擎401连接。

如图5所示是本发明实施例提供的一种基于气象无人机的气象探测系统的信号传输系统的结构示意图，该机载信号传输系统3包括：GPRS数据传输模块301、图像处理模块302、图像传输模块303、相机304和OSD模块305；

其中，相机304设置在机身101前端，且与OSD模块305连接；OSD模块305与图像处理模块302连接；图像处理模块302与图像传输模块303连接；图像传输模块303与地面站203连接，GPRS数据传输模块301与地面站203通过无线通信方式连接；

GPRS数据传输模块301，用于向地面站203传输测量得到的大气参数；

图像处理模块302，用于处理相机拍到的图像；

图像传输模块303，用于向地面站203传输经过图像处理模块302处理后的图像数据；

相机304，用于获取图像；

OSD模块305，用于显示相机拍摄的图像数据。

如图6所示是本发明实施例提供的一种基于气象无人机的气象探测系统的机载大气测量系统的结构示意图，该机载大气测量系统6包括：温湿压混合测量模块601、风场测量模块602、信号调理器603、单片机604及串口扩展电路605；

温湿压混合测量模块601可以采用Vaisala公司RSS901组件完成任务，在机翼102下左右各布置一套，机身101内舱前底部一套；风场测量模块602为机翼102最前端的空速计，温湿压混合测量模块601及风场测量模块602通过信号调理器603与单片机604连接，单片机604通过串口扩展电路605与GPRS数据传输模块301连接；

温湿压混合测量模块601，用于测量台风内部温度，湿度，气压；

风场测量模块602，用于测量风速；

信号调理器603，用于将测量的数据由模拟信号转换为数字信号；

单片机604，用于控制信号发送。

如图7所示是本发明实施例提供的一种基于气象无人机的气象探测系统的飞行控制系统的结构示意图，该机载飞行控制系统5包括：接收机501、飞控板502及功能模块503；

接收机501与飞控板502连接；飞控板502与GPRS数据传输模块301连接；功能模块503与飞控板502连接；接收机501与无线电信号发射装置201通过无线通信方式连接；

接收机501，用于接收信号；

飞控板502，用于运行飞控程序或者根据控制指令控制无人机姿态航线；

功能模块503，用于获得无人机的高度，航向，坐标用于飞行控制。

在本发明实施例中，功能模块503可以包括：空速计504、罗盘仪505、GPS506、加速度计507、磁力计508、光流模块509、超声波模块510及压力传感器511等。还可以包括本发明实施例未示出的模块。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。